3. 연구의 목적 및 필요성 ○년간 수 조원 규모의 투자사업 결정의 기본 논리를 제공하는 전력계통계획 기준의 객관화 및 명문화를 통한 전력계통계획의 공신력 확보의 필요성은 지속적으로 제기되어 왔으며, 특히 전력산업의 구조개편에 따른 새로운 전력산업 환경이 도래됨에 따라, 기존의 전력계통계획 기준의 객관화에 더하여 변화된 질서를 반영한 계획 기준의 재정립
1. 제 목 전력계통계획 수립기준에 관한 연구
2. 연구개발기간 2000. 2. 16. ～ 2001. 8. 15.(총 18 개월)
3. 연구의 목적 및 필요성 ○년간 수 조원 규모의 투자사업 결정의 기본 논리를 제공하는 전력계통계획 기준의 객관화 및 명문화를 통한 전력계통계획의 공신력 확보의 필요성은 지속적으로 제기되어 왔으며, 특히 전력산업의 구조개편에 따른 새로운 전력산업 환경이 도래됨에 따라, 기존의 전력계통계획 기준의 객관화에 더하여 변화된 질서를 반영한 계획 기준의 재정립 필요성이 제기되고 있음. ○구조개편 이전 우리나라에서 전력계통계획은 장기전력수급계획의 일환으로 2년 단위로 수립되고 있으며, 전력수급 여건, 송변전 사업 추진여건 변동 등을 감안하여 필요시 1년 단위로 부분적 수정 계획을 수립하였음. ○이러한 전력계통계획의 기본 토대를 제공하는 제반 기준들을 살펴보면, 154kV이하 송변전 설비 단기계획을 위한 기준이 수립된 바 있으며, 345kV이상 송변전 설비 장기 계획을 위한 기준은 2년 단위로 수립되는 계획의 일부로서 포함되어 있는 실정임.
○단기 계획기준의 경우 그 수립이후 상당한 시간이 경과되어, 전력설비 성능 향상 등에 따른 송변전 설비 계획 여건 변동 등을 충분히 반영하지 못하고 있으며, 또한, 외국 사례의 원용에 따른 우리 전력계통 여건의 적절한 반영 미흡, 각 세부 지침에 대한 이론적 배경 제시 미흡 등이 문제점으로 지적될 수 있음. ○장기 계획기준의 경우 장기 송변전 설비계획의 일부로서 표현되고 있으나, 설비계획 규모의 방대함에 비하여 상대적으로 세부적 내용 반영에 다소 미치지 못하고 있으며, 단기 계획의 경우와 마찬가지로 각 세부 지침에 대한 이론적 배경 제시를 통한 기준의 객관화가 미흡한 실정임. ○한편, 전력산업 구조개편에 따른 새로운 전력 사업 환경의 도래 (발전설비의 계통 병입시 유관기관간 이견조정의 곤란예상 등)와 이를 반영하기 위한 계획기능의 재정립이 요구되고 있으며, 전력계통을 구성하는 전력설비 자체의 신뢰도 향상, FACTS 및 HVDC 등으로 대표되는 새로운 전력 기기의 출현, 계통 고장용량 억제 대책 필요성 점증 등 여건 변동을 반영할 수 있는 유연성을 갖춘 새로운 계통계획 기준의 수립이 필요한 실정임. ○본 연구에서는 기존의 계통계획 절차와 전력 계통 여건 변화를 고려하여 계통 계획의 기술적 객관성 확보하기 위한 전력 계통 계획 기준 안을 제시하는 것을 목적으로 함.
4. 연구의 내용 및 범위 ◎ 계통 계획의 기본 이론 검토 ○ 전력계통 계획의 개요 ○ 계통 계획의 논점과 과제 - 장기 송전 계획의 문제 - 장기 송전 계획 합리화 수단의 확보 필요성 - 송전 계획 문제의 특성 - 장기계통계획 모형 - 계통성능평가 모형에서의 공급지장비 계산개념 - 계통 계획에 대한 구조개편의 영향 ○ 전력망의 신뢰도 기준에 관한 이론적 배경 분석 -전력망(Network)의 결정론적 신뢰도 기준의 이론 분석 -확률론적 계통계획 신뢰도기준에 대한 이론적 근거분석 -계통망의 비용평가 이론 분석
◎ 해외의 계통계획 기준 및 절차 분석 ○ 해외의 계통계획 기준 - 북미의 계획 기준 - NGC Grid Code 개요 - 일본 전력회사들의 계획기준 - 캐나다 IMO 시장 규칙의 계획기준 - 호주 NEMMCO의 전력망 성능요구 사항 ○ 해외의 계통 계획 절차 - 동경 전력 - 구주전력 - WSCC 기준의 개발과 승인을 위한 절차 - 지역 계획 사업 검토 및 정격 송전 설비에 대한 절차 - 계통 계획 사업 사례 ○ 송변전 설비의 정격분석 - 동경 전력 설비 정격 - ECAR Transmission Facility Ratings - SPP 송변전 설비 정격
◎ 우리나라 계통계획 기준 안의 구성 ○ 계통 계획 수립 기준의 고려 요소 분석 - 계통구성의 기본 원칙 - 송전계통의 구성 방향 - 계통계획의 경제성 평가 - 전압 level의 선정 - 계통 전압의 유지 - 계통 주파수 조정 - 공급 신뢰도 - 계통의 안정도 - 단락․지락 전류 - 계통보호 ○ 운영 기준과 계획 기준의 검토 - NYISO의 전력계통 운영기준 - NPCC의 운영기준과 계획기준의 비교 - 운영기준과 계통계획 기준 사이의 상관관계 분석 ○ 각 국의 전력계통계획 기준에 대한 비교 및 기준 안의 구성 - 각 국의 전력계통계획 기준의 분석 - 우리나라 전력계통 계획기준(안)의 구성
◎ 우리 나라계통 계획 기준(안)의 이론적 배경 ○ 성능기준의 도출 배경 ○ 과도전압 기준 ○ 과도주파수 기준 ○ 과도 후 전압 편차
◎ 계통계획의 평가절차 분석 ○ 전압안정도 측면에서의 평가절차 - 전압안정도의 개요 및 해석방법 - 각국 전압안정도 측면에서의 계통계획기준 - 전압안정도에 대한 평가 기준 분석 - 계획계통에 대한 전압안정도 검토 절차 ○ 과도안정도 측면에서의 평가절차 - 과도안정도의 정의 및 필요성 - 각국의 과도안정도 측면에서 계통 계획 평가 기준 및 절차 - 과도 안정도 평가 및 산정 절차 - 과도안정도 평가 결과 - 과도안정도 계산 및 프로그램 운용 절차 예 ○ 계통계획에 대한 N-1 상정사고평가절차 분석 - 계통계획에서의 N-1 상정사고 해석기준 - 계통계획에 대한 각국의 N-1 상정사고 해석기준 - 계통계획에 대한 N-1 상정사고 평가절차 - 시험계통에서의 사례연구 ○ 계획기준 설정을 위한 우리나라 계통 성능의 사전평가 - Base Case 요약 - 건전상태 해석 - 상정사고 해석 - 과도 안정도 해석 5. 연구의 결과 및 활용에 대한 건의 가. 연구결과 (1) 해외의 계통계획 기준 및 절차 분석 해외의 계통계획 기준으로는 미국의 NERC, NERC 산하의 한 지역신뢰도 위원회, 그리고 해당 지역신뢰도위원회 소속 전력회사 혹은 계통운영기관 등을 축으로 미국의 계통 계획 기준을 검토하였다. 이외의 영국의 NGC, 일본의 구주와 동경 전력, 캐나다의 IMO, 호주의 NEMMCO에서의 사례를 검토하였다. 미국의 계통 계획 기준의 특징은 NERC Planning Standards를 기본으로 하여 각 지역 신뢰도 위원회와 해당 전력회사가 이 기준을 지역 특성에 맞게 변경 및 보완하는 형식을 취하고 있다. 이와 같이 계획기준의 기본이 되는 NERC Planning Standards는 적정성과 안전도라는 두 가지의 기본 개념 관점에서 계통계획 수립 기준을 제시하고, 이를 달성하기 위하여 정상상태와 상정 사고 시 시스템이 만족하여야 하는 성능을 정의한 송전계통 성능기준 표를 통해 기술적인 체계를 제시하고 있다. 이런 정해진 성능 기준을 기존의 또는 계획하는 송전계통이 만족하는가의 여부는 실제적으로 검사하기가 불가능하므로 모의 실험을 통한 검증방법을 제시하고 있다. 해외의 계통 계획 절차에서는 동경전력, 구주 전력, WSCC의 계통 계획 절차를 조사하였다. 검토 결과 계통 계획의 절차는 각 국의 전력산업 구조와 큰 상관성이 있음을 파악할 수 있었다. 따라서 한국의 계통계획 절차도 전력산업 구조개편 후 전력산업 구조 및 전력시장 체제에 적합한 합리적인 절차 도출이 필요함을 알 수 있다. 송변전 설비 정격 분석에서는 동경전력, ECAR, SPP를 조사하였다. 동경 전력은 상세한 정격을 제공하고 있으나 ECAR와 SPP는 설비정격 결정 시 지침과 고려 사항을 주로 다루고 있다. 한편 송변전 설비의 설계정격 및 관련된 국제규격에서 제시한 정격계산이론과 설비정격을 별책부록으로 정리하였다.
(2) 우리나라 계통계획 기준 안의 구성 ◎ 계통 계획 수립 기준의 고려 요소 분석 ○ 계통구성의 기본 원칙 - 소요 서비스 수준의 확보 - 효율적인 계통의 구성 - 장기적 관점의 계통 확충 - 설비의 보수 및 운용과의 협조 - 지역사회와의 조화 - 투자의 효율성 향상
○ 전압 level의 선정 -기간 계통계획, 기존 계통의 발달상황, 지역수요의 동향, 수용가 - 서비스검토 - 전압 계급의 간소화를 적극적으로 도모
○ 계통 전압의 유지 -정적 및 동적 특성간에 균형을 가지는 충분한 무효 전력원(전압 조정 설비 및 조상 설비) 설치 -무효 전력원은 부하 측을 포함하여 발전, 송전, 배전 설비들 사이에서 전체적으로 분포되어야 한다.
○ 계통 주파수 조정 계통주파수의 변동을 조정할 수 있는 발전소의 조정능력을 확보해야 한다. ○ 공급 신뢰도 각 수용가와 지역사회의 서비스 요구수준을 정확히 파악하고 공급 설비 및 이의 사고와 사고 복구의 실태를 충분히 고려하여 다음과 같이 공급 신뢰도를 확보하고 정해진 신뢰도 기준을 만족하도록 계통계획이 수립되어야 한다.
○ 계통의 안정도 특히, 전원의 확충에 수반하는 송전계통의 계획을 검토할 때에는, 전체 계통의 관점에서 정태안정도, 과도 안정도, 전압안정도를 신중히 검토해야 하며, 필요한 경우에는 전원에서부터 송변전 설비에 이르는 각종의 안정도 향상 대책을 강구하고, 효율적인 대책을 고려하여 전원 확충에 필요한 송전 용량을 확보하도록 해야한다.
○ 단락․지락 전류 계통의 단락․지락 전류는 계통규모의 확대에 따라 증가되는 경향이 있고, 특히 전원의 집중․편재화 등의 영향을 직접 받는 기간계통에 있어서는 단락․지락 전류가 현저히 증가되는데, 이러한 단락․지락 전류의 증가는 설비의 용량 부족, 설비 주변에 대한 유도장해, 설비의 손상 등을 유발할 수 있기 때문에 이에 대한 억제 대책이 계통 계획 시에 충분히 검토되어야 한다.
◎ 우리나라 계통계획기준(안)의 구성 성능 수준상정고장지장 범위가용 조치PA-1・발전소 연결계통의 345kV 이하 선로 1회선 ・345kV 이상 M.Tr 1Bank・부하 탈락 불허 ・발전기 탈락 불허・발전력 조정 불허PA-2・간선계통의 345kV 이하 선로 1회선 ・부하공급 계통의 345kV 이하 선로 1회선・부하 탈락 불허 ・발전기 탈락 불허・발전력 조정 허용PA-3・154kV M.Tr 1Bank・일시 부하탈락 허용(주1) ・영구 부하탈락 불허(주2)・부하절체 허용PB-1・부하공급 계통의 345kV 이하 선로 1루트 ・간선계통의 154kV 선로 1루트・일시 부하탈락 허용(주1) ・영구 부하탈락 불허(주2) ・발전기 탈락 허용・부하절체 허용PB-2・간선계통의 345kV 선로 1루트 ・간선계통의 765kV 선로 1회선・부하 탈락 불허 ・발전기 탈락 불허・발전력 조정 허용PB-3・발전소 연결계통의 765kV 선로 1회선 ・발전소 연결계통의 345kV 이하 선로 1루트・부하 탈락 불허 ・발전기 탈락 허용발전력 조정 허용<성능수준의 정의> 단, -표에서 하위의 상정고장일수록 계통에 대한 상정고장의 상대적파급효과가 큰 것으로 고려된 것을 의미함. -(주1)일시 부하 탈락은 설비 고장으로 정전이 발생하였을 경우해당 설비의 복구가 완료되지 않은 상태에서 타변전소로 부하절체 등의 방법으로 단시간에 정전 해소가 가능한 경우를 말함 -(주2)영구 부하 탈락은 설비 고장으로 정전이 발생하였을 경우 해당 설비의 복구가 완료될 때까지 정전 해소 불가능한 경우를 말함
성능 수준과도전압 강하기준 (부하모선 측정)최소과도 주파수 (부하모선 측정)PA-1・고장제거 후 최대전압강하 : 25% ・20% 초과 최대지속시간 : 20 Cycle59.6 Hz ・최소치 이하 최대지속 시간 : 6 CyclePA-2상 동상 동PA-3상 동상 동PB-1・고장제거 후 최대전압강하 : 30% ・20% 초과 최대지속시간 : 20 Cycle58.9 Hz ・최소치 이하 최대지속 시간 : 6 CyclePB-2상 동상 동PB-3상 동상 동<송전망 성능기준 (1/2)>
성능 수준계통 제동고장후 전압변동 (모든 모선)과부하율PA-1正 제동5% 과부하 불허 (공칭 정격 기준) PA-2상 동상 동비상정격※ 이내 유지PA-3상 동상 동상 동PB-1상 동10%상 동PB-2상 동상 동상 동PB-3상 동상 동상 동<송전망 성능 기준 (2/2)>
(3) 우리나라 계통계획 기준안의 이론적 배경 해외사례 분석, 조사에서 볼 때 NERC/WSCC의 성능기준은 객관성과 이론적 근거확립 면에서 가장 합리적인 사례였으며 이를 위해 적용된 이론적 근거들은 우리나라의 전력계통에 적용하기 위한 성능기준을 설정하는데 적용함에 있어서 무리가 없다고 사료되어 NERC/WSCC의 성능기준을 기본 으로 하여 우리나라 현재의 계통계획 업무의 관행과 절차를 고려하여 기준(안)을 도출하였다. 우리나라의 송전망 성능 기준은 성능 수준을 6가지로 구분하고 이런 성능 수준에서 고려하는 상정고장 상황에서 부하에 대한 공급지장과 인위적 부하 차단을 허용하지 않는다는 대 전제에 하에서 수립되었다. 이런 전제 만족을 위하여 기술적 항목인 과도전압 강하기준, 최소과도 주파수, 계통 제동, 고장 후 전압변동과 과부하율를 결정하였고 각 성능 수준에 따라 상정 고장 후 허용 계통 현상과 성능수준 유지를 위한 가용 조치를 설정하였다. 6가지 성능 수준에 고려하는 상정 고장은 발전기 연결 계통, 간선계통, 부하공급 계통등 전력 산업 구조 개편 후 예상되는 전력 시장의 구성원인 발전 사업자, 송전 사업자, 배전 사업자 또는 수용가 등 각각의 구성원의 서로 다른 상황을 고려하여 선정되었다. 이에 따라 도출된 송전망 성능 기준 자세한 항목과 수치는 위의 송전망 성능 기준 표에 자세히 요약 되어있다.
(4) 계통계획의 평가절차 분석 ◎ 일반적으로 모의해석 순서 ①건전상태(상정고장 전)에 대한 송전망 상태의 해석 ②Base Case의 지정 ③상정고장의 지정 ④해당 상정고장에 대한 계통 응답의 허용범위(성능기준)를 지정 ⑤계통에 대해 상정고장을 모의하여 계통의 응답을 해석 (세부 절차서에 준함) ⑥계통의 응답을 성능기준과 비교하여 만족여부를 판별 ⑦해당 상정고장에 대한 계통의 응답이 성능기준을 만족하지 못하는 경우, 선택적으로 고려될 수 있는 자동제어 응동이나 운전자의 조치를 반영하여 재평가(성능기준을 만족시키기 위한 발전력 재배분 및 혼잡비용 산출) ⑧최종적인 성능평가 결과를 도출
◎ Base Case의 구성 계통계획에 구성된 대상계통에 대해 건전상태에서 조류계산을 수행한 후 조류계산이 수렴된 상태에서 다음을 확인한다.
① 슬랙 모선 발전출력이 발전용량 범위 이내에 있는가? ② 모든 모선의 전압이 전압 운전범위 이내에 있는가? ③모든 선로의 부하율이 정상상태 정격의 100%를 초과하지 않는가? ④변압기 등 계통설비의 부하율이 정상상태 정격의 100%를 초과하지 않는가?
이를 모두 만족하는 경우 이를 계통의 성능평가를 위한 Base Case로 정의한다.
◎ 상정고장의 지정 상정고장은 적어도 다음을 포함해야 한다.
㉮ 모든 345kV 이상 선로에 대한 1회선 고장 ㉯ 모든 345kV 가공선로에 대한 2회선 고장 (지중은 1회선 고장으로 제한) ㉰ 모든 154kV 선로에 대한 1회선 고장 ㉱ 모든 154kV 가공선로에 대한 2회선 고장 (지중은 1회선 고장으로 제한)
◎ 과도 후(Post-Transient) 조류계산 계통 해석절차를 대략적으로 구분하면 다음과 같이 5 단계로 요약할 수 있다.
▣ Step 1 : 기준상태 및 상정고장 상태의 조류계산 자료 설정??부하 해석 ▣ Step 4 : 모선 전압이상 해석 ▣ Step 5 : 상정고장에 대해 step 1부터 반복 실시
◎ 과도 상태의 평가 절차 ○ 상정고장의 스크리닝 ○ 상정고장에 대한 시간 모의해석 ○ 과도안정도의 평가 - 과도안정도 - 과도 전압강하 - 최소 과도 주파수 ○ 계통조작을 고려한 과도안정도의 재평가 (5) 송변전 설비정격 검토 ○ 가공 송전선 정격 ○ 지중 송전선 성격 ○ 변압기 정격 ○ 차단기 정격 ○ 전력계통 성능시험 기준시 고려사항
나. 연구결과의 활용에 대한 건의 ○본 연구에서 제안한 계통계획기준(안)은 구조개편 후 경쟁적 전력시장체제 하에서 적용될 계통계획의 수립기준을 정립하였으며, 특히 전력계통 성능기준은 계통확충 및 계통접속을 위한 검토시 시장참여자간의 비용분담을 산정하는 기본원칙으로 활용이 기대된다. 이와 같은 전력계통 성능기준은 전력계통 여건변화를 적절히 반영하여 합리적인 계통구성이 이루어 질 수 있도록 유지 보완되어야 하며, 이를 위한 절차가 확립될 것이 요구된다.
목차 Contents
목차 제출문 요약문 목차 제 1 장 서 론 제 2 장 계통 계획의 이론 검토 제 1 절 전력계통 계획의 기본 1 . 전력계통 계획 2. 송전계통 계획 제 2 절 계통 계획의 논점과 과제 1 . 장기 송전 계획의 문제 2. 장기 송전 계획 합리화 수단의 확보 필요성 3. 송전 계획 문제의 특성 4. 장기계통계획 모형 5. 계통성능평가 모형에서의 공급지장비 계산개념 6. 계통계획에 대한 구조개편의 영향 7. 저전압 부하차단을 고려한 계통계획 방법론 제 3 절 전력망의 신뢰도 기준에 관한 1 . 전력망 (Network) 의 결정론적 신뢰도 기준의 2. 확률론적 계통계획 신뢰도기준에 대한 이론적 3. 전력망 신뢰도기준의 이론적 배경분석 결론 제 3 장 해외의 계통계획 기준 및 절차 제 1 절 해외의 계통계획 기준 1 . 북미의 계획기준 2. NGC Grid Code 개요 3. 일본 전력회사들의 계획기준 4. 캐나다 IMO 시장 규칙의 계획기준 5. 호주 NEMMCO 의 전력망 성능요구 사항 제 2 절 해외의 계통계획 절차 1. 동경 전력 2. 구주전력 3. WSCC 기준의 개발과 승인을 위한 절차 [25] 4. 지역 계획 사업 검토 및 정격 송전 설비에 대한 5. 계통계획 사업 사례 제 3 절 송변전 설비의 정격분석 1. 동경 전력 설비 정격 2. ECAR Transmission Facility Ratings 3. SPP 송변전 설비 정격 제 4 장 우리나라 계통계획 기준 안의 구성 제 1 절 계통계획 수립 기준의 고려요소 분석 1. 계통구성의 기본 원칙 2. 송전계통의 구성 방향 3. 계통계획의 경제성 평가 4. 전압 level 의 선정 5. 계통 전압의 유지 6. 계통 주파수 조정 7. 공급 신뢰도 8. 계통의 안정도 9. 단락 . 지락 전류 10. 계통보호 제 2 절 운영 기준과 계획 기준의 검토 1. NYISO 의 전력계통 운영기준 2. NPCC 의 운영기준과 계획기준의 비교 3. 운영기준과 계통계획 기준 사이의 상관관계 제 3 절 각 국의 전력계통계획 기준에 1 . 각 국의 전력계통계획 기준의 구성 2. 우리나라 전력계통 계획기준 ( 안 ) 의 구성 3. 전력계통계획 기준에 대한 제안사항 제 5 장 우리 나라계통 계획 기준 ( 안 ) 제 1 절 개 요 제 2 절 성능 수준의 도출 및 대응 상정 1. Level A - 단일 선로 탈락과 동일한 수준 . 제 3 절 과도전압 기준 1. Swing 전압 2. 과전압 (Overvoltage) 기준 3. 저전압 기준 제 4 절 과도 (Transient) 주파수 기준 1 . Over-frequency 기준 2. 저주파수 (Under-frequency) 기준 제 5 절 과도 후 전압 편차 제 6 장 계통계획의 평가절차 분석 제 1 절 전압안정도 측면에서의 평가절차 1. 전압안정도의 개요 및 해석방법 2. 각국 전압안정도 측면에서의 계통계획기준 3. 전압안정도에 대한 평가 기준 분석 4. 계획계통에 대한 전압안정도 검토 절차 제 2 절 과도안정도 측면에서의 평가절차 1 . 과도안정도의 정의 및 필요성 2. 각국의 과도안정도 측면에서 계통계획 평가 기준 및 3. 과도 안정도 평가 및 산정 절차 4. 과도안정도 평가 결과 5. 과도안정도 계산 및 프로그램 운용 절차 예 제 3 절 계통계획에 대한 N-1 상정고장 1 . 계통계획에서의 N-1 상정고장 해석기준 2. 계통통의 전체적인 안정을 위해 load shedding 이나 제 4 절 계획기준 설정을 위한 우리나라 1 . 배 경 2. 개 요 3. Base Case 요약 4. 건전상태 해석 5. 상정고장 해석 6. 과도 안정도 해석 7. 전압 안정도 해석 8. 우리나라 계통성능의 사전평가에 대한 결론 제 7 장 결 론 참고문헌 부록
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